GHz burst-modus femtoseconde laserpulsen kunnen unieke tweedimensionale periodieke oppervlakte-nanostructuren creëren

Wetenschappers die werken aan lasertoepassingen in het RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP) hebben aangetoond dat GHz burst-modus femtoseconde laserpulsen unieke tweedimensionale (2D) laser-geïnduceerde periodieke oppervlaktestructuren (LIPSS) op siliciumsubstraten kunnen creëren.

Eerder heeft het team onder leiding van de onderzoekers van het Advanced Laser Processing Research Team gemeld dat de GHz burst-modus femtoseconde laserpulsen, bestaande uit een reeks treinen van ultrakorte laserpulsen met een pulsinterval van enkele honderden picoseconden (ps), de ablatie aanzienlijk verbeteren. efficiëntie en kwaliteit in vergelijking met de conventionele femtoseconde laserbewerking (enkelvoudige pulsmodus).

Gepubliceerd in International Journal of Extreme-productie (IJEM), paste het team de GHz-burst-modus toe om LIPSS op siliciumsubstraten te fabriceren om het vermogen van GHz-burst voor de vorming van unieke nanostructuren aan te tonen. Ze hebben aangetoond dat de GHz burst-modus femtoseconde laserpulsen unieke 2D LIPSS creëren, die verschilt van de 1D-structuren die worden vervaardigd door de conventionele single-pulse modus van lineair gepolariseerde femtoseconde laser.

Naast 1D LIPSS vervaardigd door de single-pulse-modus, waarvan de richting loodrecht op de laserpolarisatie staat, worden andere periodieke structuren parallel aan de polarisatierichting gevormd om een ​​roosterachtig patroon te creëren door de GHz-bust-modus. Resultaten van deze studie hebben aangetoond dat de GHz burst-modus femtoseconde laserverwerking onderscheidende voordelen biedt voor niet alleen ablatie van materialen, maar ook voor andere soorten verwerking, zoals LIPSS-vorming, wat een nieuwe weg opent voor micro- en nanofabricage.

Het team heeft verder een mogelijk mechanisme voorgesteld voor de vorming van 2D LIPSS gevormd door de GHz burst-modus, die wordt beschouwd als de synergetische bijdrage van de elektromagnetische en hydrodynamische mechanismen. In het bijzonder creëert het genereren van hotspots met sterk verbeterde elektrische velden door de gelokaliseerde oppervlakte-plasmonresonantie van daaropvolgende pulsen in de bursts in de nanogroeven van 1D LIPSS gevormd door de voorgaande pulsen 2D LIPSS.

Bovendien bepaalt hydrodynamische instabiliteit inclusief convectiestroming de uiteindelijke structuur van 2D LIPSS. Op basis van deze hypothese creëerden ze met succes goed gedefinieerde 2D LIPSS door de envelop van de GHz-burst aan te passen.

Vorming van LIPSS is een bekend fenomeen, dat wordt gerealiseerd op diverse vaste oppervlakken door de materiaaloppervlakken te bestralen met meerdere pulsen van een lineair gepolariseerde laserstraal, zelfs in de lucht. Belangrijk is dat LIPSS de materiaaloppervlakken kan functionaliseren om oppervlaktekleuring, vermindering van wrijving, controle van oppervlaktebevochtigbaarheid, enz. te bereiken, wat veel belangstelling trekt voor industriële toepassingen.

Het vermogen van de GHz burst-modus die de fabricage van 2D LIPSS mogelijk maakt, biedt de mogelijkheid om meer gefunctionaliseerde oppervlakken te vormen en daardoor de toepassing te diversifiëren en de commercialisering te versnellen.

Corresponderende auteur, prof. Koji Sugioka, zei: “De resultaten dat de GHz burst-modus femtoseconde laserpulsen de ablatie-efficiëntie kunnen verbeteren met verbeterde ablatiekwaliteit, gerapporteerd door de groep van Ilday in 2016, hebben het gezond verstand teniet gedaan en hebben een aanzienlijke impact gehad op de gemeenschap van lasermaterialen Onmiddellijk daarna begonnen sommige groepen, waaronder onze groep, experimenten uit te voeren op GHz-burstmodus-ablatie van verschillende soorten materialen voor meer gedetailleerd onderzoek. ”

“Tijdens het onderzoek naar de ablatie van de GHz burst-modus waren we van mening dat een meer gecontroleerde energiedepositie in vergelijking met de single-pulse-modus ook enkele voordelen kan bieden voor andere soorten materiaalverwerking. Vervolgens hebben we de GHz burst-modus toegepast op LIPSS-vorming en slaagde erin interessante resultaten te laten zien.”

“De verkregen resultaten kunnen een nieuwe mogelijkheid bieden voor GHz-burstmodus voor andere verwerking dan ablatie, waaronder microbinding, kristallisatie, polijsten, twee-fotonpolymerisatie en schrijven van interne optische golfgeleiders. We zijn dus van mening dat de GHz-burstmodus nieuwe wegen zal openen naar femtoseconde laserbewerking.”

Een van de co-auteurs, prof. Godai Miyaji, zei dat “subtractieve fabricage met ultrakorte pulslasers wordt geïnduceerd door drie dominante fenomenen van niet-lineaire optische absorptie in het materiaal, energieoverdracht zoals elektronen-elektronenverstrooiing en elektronenroosterverstrooiing, en fonon excitatie en ablatie.Hier ligt de relaxatietijd van de aangeslagen toestand van het materiaal in een gebied van femtoseconde tot submicroseconde.De conventionele single-pulse-modus induceert ablatie door het interactieproces tussen femtoseconde laserpuls en statisch materiaal, terwijl de GHz burst-modus interageert met opgewonden materiaal in ontspanning.”

“Er wordt verwacht dat het niet alleen een efficiënte en specifieke optische absorptie veroorzaakt door de diëlektrische constante tijdelijk te veranderen, maar ook de elektromagnetische mechanische interacties onder hoge druk en hoge temperaturen. Dit is een uniek fysiek proces dat niet kan worden gerealiseerd en gecontroleerd door de conventionele single-pulse-modus en zal naar verwachting nieuwe gebieden in wetenschap en technologie openen, inclusief de realisatie van nieuwe ablatievormen en de creatie van nieuwe materialen door nieuwe structurele veranderingen in de binding.”